合成氨工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展

蒙根花

摘要：本文通過對合成氨技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，確定工藝技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢，為工藝技術(shù)應(yīng)用實踐生產(chǎn)過程提供可以參考的信息，提高工藝生產(chǎn)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：合成氨；工藝技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，每年的產(chǎn)量都非常高。通過研究人員的不斷試驗，合成氨已經(jīng)可以大面積應(yīng)用在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中，是氨肥工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料。

一 、合成氨裝量的結(jié)構(gòu)調(diào)整

（一 ）“油改氣 ”天然氣制氨裝置一般采用蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)，但采用此技術(shù)來改造基于部分氧化工藝的重油氣化裝置，則遠(yuǎn)不如采用天然氣部分氧化技術(shù)更為合理。采用天然氣部分氧化技術(shù)，不僅可以利用現(xiàn)有的氣化爐調(diào)整操作，改造燒嘴，而且投資少，改造難度小，改造周期短，總體經(jīng)濟(jì)性好，另外，天然氣部分氧化技術(shù)易于實現(xiàn)大型化，逐漸為行業(yè)所公認(rèn)。

（二）“油改煤 ”煤氣化技術(shù)的成功商業(yè)化為合成氨裝置的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)的改造內(nèi)部包括：新建煤氣化部分和新建合成氣凈化部分。

（三 ）”煤氣化 ”。成熟且有競爭力的煤氣化工藝主要為水煤氣漿氣化煤煤氣化工藝，這兩類煤氣化工藝均是成熟的，都有大型專利工廠。水煤漿氣化工藝生產(chǎn)的粗合成氣己用于循環(huán)聯(lián)合發(fā)電?；剩状嫉壬a(chǎn)，粉煤氣化工藝僅用于循環(huán)聯(lián)合發(fā)電，兩者各具特色。

（四）”合成氣凈化 ”。本部分的關(guān)鍵問題在于確定CO變換，酸性氣體脫除，氣體精制等工序的合理流程組合形式。其中CO變換 工藝的選擇是合成氣凈化工藝技術(shù)選擇的問題，CO變換工藝技術(shù)全為非耐硫攣我和耐硫變換 2種 ，而這 2種變換工 藝的選擇將直接影響后續(xù)酸性氣體脫除工序，氣體精制工序的流程組合。煤氣化的變換氣具有硫，CO 含量高，分壓大的特點，根據(jù)變換氣的工藝條件，采用物理吸收法比較有利。

二、合成氨的工藝流程

（一 ）原料氣制備。將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣，對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣，渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣，對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氮。

（二 ） 凈化。對粗原料進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程，脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。

（1） 一氧化碳變換過程。在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其 體積分?jǐn)?shù)一般為 l 2%一 40%，合成氮需要的兩種組分是 H和 N，因此 需要除去合成氣中的CO。

（2）脫硫脫碳過程。各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫疏，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否彩和耐硫的催化劑而確定脫硫的位置，工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的低溫甲醇洗法，聚乙二醇二甲醚法等。

（3）氣體精制過程。經(jīng) CO變換和 CO 脫除去的原料氣中尚含少量殘余的 CO和 CO ，為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO 總量不得大于 10CMs/Ma（體積 分?jǐn)?shù) ）。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料和原料氣的最終凈化，即精制過程。

（三 ）氨合成。將純凈的氫，氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氮產(chǎn)品工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分，氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有 10%一20%，故采用未反應(yīng)氫氮氣循環(huán)的流程。

三、合成氯的值化機(jī)理

熱學(xué)力計算表明，低溫，高壓對合成氨反應(yīng)是有利的，但無催化劑時，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生，當(dāng)采用鐵催化劑時，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。目前認(rèn)為，合成氮反應(yīng)的一種可能機(jī)理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進(jìn)行化學(xué)吸咐，使氮原子間的化學(xué)鍵減弱，接著是化學(xué)吸收的氫原子不為導(dǎo)表面上的氮分子作用。在催化劑表面上逐步生成一 NH、NH 、NH，最后 氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。

四、催化劑的中毒

催化劑的催化能力一般稱為催化活性，有人認(rèn)為，由于催化劑在反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠(yuǎn)使用下去，實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達(dá)到正常水平，這就是催化劑的成熟期，接著，催化劑活性在一段時間里保持穩(wěn)定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用，活性保持穩(wěn)定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。

五、工藝技術(shù)改造新建煤氣化工序，采用煤氣化工藝，生產(chǎn)合成氣。新建空氣分離工序。采用全低壓，內(nèi)壓縮空氣工藝，為煤氣化工序提供工藝氧氣和高，中，低壓氮氣。新建耐疏變換工序。采用三段耐硫變換工藝，進(jìn)行合成氣的高濃度 CO變換 。新建酸性氣體脫除工序，采有低溫甲醇洗凈化工藝，進(jìn)行變換氣的脫硫脫碳凈化，以脫除變換氣中的 H S、CO 等，繼而處理低溫甲醇洗工序中的 H2S尾氣 ，改造和利用甲烷化工序。

六、 我國合成氨技術(shù)的基本狀況目前合成氨總生產(chǎn)能力為 4500萬 噸/年左右，氮肥工業(yè)已基本滿足了國內(nèi)需求，在與國際接軌后，具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭的能力，今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性。

（ 一 ）大型氮肥裝置。我國目前有大型合成氨裝置共計 34套，生產(chǎn)能力約 1000萬 噸/年，其下游產(chǎn)品除 1套裝置生產(chǎn)硝酸磷肥之外，均為尿素。按照原料類型分，以天然氣為原料的 17套 ，以輕油為原料的 6 套，以重油為原料的 9套 ，以煤為原料的 2 套。

（二 ）中、小型氮肥裝置。我國目前有中型合成氨裝置 55套，生產(chǎn)能力約為 500萬 噸/年，其下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨，其中以煤、焦為原料的裝置有 34套 ，以渣油為原料的裝置有 9套 ，以氣為原料的裝置有 l2套 ，目前有小型合成氨裝置 700多套 ，生產(chǎn)能力約為3000萬噸/年，其下游產(chǎn)品原來主要是碳酸氫銨，現(xiàn)有 112套經(jīng)過改造生產(chǎn)尿素，原料以煤，焦為主，其中以煤，焦為原料的占96%，以氣為原料的僅占 4%。

（三 ）合成氨技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

3.1大型化、集成化、自動化。形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心，低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。單系列合成氨裝置生產(chǎn)能力將從 2000T/D提高至 4000—5000T/D，以天燃?xì)鉃樵现瓢眹嵃蹦芎囊呀?jīng)接近一理論水平。今后難以有較大幅度的降低，但以油，煤為原料制氨，降低能耗還可以有所作為。

3.2以 “油改氣 ”和 “油改煤 ”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以 “多聯(lián)產(chǎn) ”和再加工為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整 ，是合成氨裝置 “改善經(jīng)濟(jì)性 ”，增強(qiáng)競爭力的有效途徑，全球原油供應(yīng)處于減遞模式，正處于總遞減曲線的中點，預(yù)計到 2010的原油將 出現(xiàn)自然短缺，需用其他能源補充。

3.3實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟 一的選擇。生產(chǎn)過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物，廢物，實現(xiàn)或接近 “零排放 ”的清潔生產(chǎn)技 術(shù)將日趨生成熟和不斷完善。

3.4提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的可靠性，延長運行周期是未來合成氨裝置 “改善經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)競爭力”的必要保證。有利于 “提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率，延長運行周期的技術(shù)，包括工藝優(yōu)化技術(shù)，先進(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。

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